ES2910989T3 - Process and apparatus for the continuous reduction of iron ore through the use of biomass - Google Patents
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Abstract
Un proceso continuo para la reducción directa de mineral de hierro en estado sólido incluye: transportar briquetas de fragmentos de mineral de hierro y biomasa a través de una cámara de precalentamiento (3) y precalentar el mineral de hierro y la biomasa a una temperatura de al menos 400 °C mientras el mineral de hierro y la biomasa se mueven a través de la cámara (3); y transportar las briquetas precalentadas a través de una cámara de reacción que tiene un ambiente anóxico y exponer el mineral de hierro y la biomasa en briquetas a energía electromagnética en forma de energía de microondas en condiciones anóxicas y generar calor dentro del mineral de hierro, y la biomasa que actúa como reductor y reduce el mineral de hierro en estado sólido, a medida que las briquetas se mueven a través de la cámara.A continuous process for the direct reduction of iron ore in a solid state includes: transporting briquettes of iron ore fragments and biomass through a preheating chamber (3) and preheating the iron ore and biomass to a temperature of at minus 400 °C while the iron ore and biomass move through the chamber (3); and transporting the preheated briquettes through a reaction chamber having an anoxic environment and exposing the iron ore and briquetted biomass to electromagnetic energy in the form of microwave energy under anoxic conditions and generating heat within the iron ore, and the biomass that acts as a reductant and reduces the iron ore in a solid state, as the briquettes move through the chamber.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Proceso y aparato para la reducción continua de mineral de hierro mediante el uso de biomasaProcess and apparatus for the continuous reduction of iron ore through the use of biomass
Campo de la invenciónfield of invention
La presente invención se refiere a la reducción de mineral de hierro para producir hierro.The present invention relates to the reduction of iron ore to produce iron.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
Un proceso de hierro reducido directamente (DRI) es una ruta de fabricación de hierro alternativa a un proceso de alto horno. En un proceso DRI, los minerales de óxido de hierro como hematita, goetita y magnetita se reducen en su estado sólido a temperaturas por debajo del punto de fusión del hierro, a diferencia de un proceso de alto horno donde se forma hierro líquido.A direct reduced iron (DRI) process is an alternative ironmaking route to a blast furnace process. In a DRI process, iron oxide minerals such as hematite, goethite, and magnetite are reduced to their solid state at temperatures below the melting point of iron, unlike in a blast furnace process where liquid iron is formed.
Un proceso DRI típicamente tiene lugar entre 800 °C y 1050 °C por interacción con reductores, normalmente H2 y CO. Estos gases reductores se derivan del gas natural o del carbón, con más del 80 % de la capacidad de las plantas DRI globales que usan gas natural (por ejemplo, plantas MIDREX e HYL). Debido a las altas temperaturas del gas y los rendimientos requeridos, las plantas DRI requieren ingeniería de reactor presurizado a gran escala, normalmente reactores de eje, reactores de lecho fluidizado u hornos rotatorios.A DRI process typically takes place between 800 °C and 1050 °C by interaction with reductants, usually H 2 and CO. These reducing gases are derived from natural gas or coal, with more than 80% of the capacity of global DRI plants using natural gas (eg MIDREX and HYL plants). Due to the high gas temperatures and required throughputs, DRI plants require large-scale pressurized reactor engineering, typically shaft reactors, fluidized bed reactors, or rotary kilns.
Los requisitos de materia prima para muchos procesos DRI existentes son estrictos, y los sistemas generalmente requieren alimentación en forma de comprimidos o terrones naturales duros en dependencia de la disponibilidad y la idoneidad del mineral, lo que significa que se requiere una preparación significativa del material antes del proceso de reducción. El gran tamaño, la altura y la complejidad de la planta dan como resultado un alto desembolso de capital y costos operativos y de mantenimiento significativos, con consumos de energía típicos para procesos basados en gas natural de entre 10-11 GJ por tonelada de DRI.The feedstock requirements for many existing DRI processes are stringent, with systems typically requiring feed in the form of pellets or hard natural lumps depending on ore availability and suitability, meaning significant material preparation is required before of the reduction process. The large size, height and complexity of the plant result in high capital outlay and significant operating and maintenance costs, with typical energy consumptions for natural gas-based processes between 10-11 GJ per tonne of DRI.
La industria del hierro y el acero es uno de los mayores usuarios de energía, ya que consume alrededor del 7 % de la energía mundial total. Se espera que la demanda mundial de acero aumente un 50 % para 2050, mientras que las emisiones de gases de efecto invernadero deben reducirse para cumplir con los estrictos objetivos de cambio climático.The iron and steel industry is one of the largest users of energy, consuming around 7% of the total world energy. Global demand for steel is expected to grow 50% by 2050, while greenhouse gas emissions must be reduced to meet stringent climate change targets.
En ausencia de métodos eficientes para capturar y almacenar el CO2 emitido, es importante que la industria reduzca el uso de energía, aumente la sustentabilidad y mejore la flexibilidad y escalabilidad de las operaciones.In the absence of efficient methods to capture and store emitted CO 2 , it is important for industry to reduce energy use, increase sustainability, and improve flexibility and scalability of operations.
La discusión anterior no debe tomarse como una admisión del conocimiento general común en Australia o en cualquier otro lugar.The above discussion should not be taken as an admission of common general knowledge in Australia or anywhere else.
Los documentos de las patentes US 2012/031232 y US 2012/029252 describen además un proceso continuo de reducción directa de mineral de hierro mediante el uso de biomasa.Patent documents US 2012/031232 and US 2012/029252 also describe a continuous process for the direct reduction of iron ore through the use of biomass.
Breve descripción de la invenciónBrief description of the invention
La presente invención se refiere a un proceso y aparato como se define en las reivindicaciones independientes adjuntas, con características opcionales y preferidas en las reivindicaciones dependientes adjuntas.The present invention relates to a process and apparatus as defined in the appended independent claims, with optional and preferred features in the appended dependent claims.
El proceso es para la reducción directa de mineral de hierro en estado sólido en condiciones anóxicas con biomasa como reductor y con energía electromagnética en forma de energía de microondas como fuente de energía y se basa en la comprensión de que el uso de biomasa como reductor y el uso de energía de microondas como fuente de energía brinda una oportunidad para la producción efectiva y eficiente de hierro metálico.The process is for the direct reduction of iron ore in the solid state under anoxic conditions with biomass as the reductant and with electromagnetic energy in the form of microwave energy as the energy source and is based on the understanding that the use of biomass as the reductant and The use of microwave energy as a power source provides an opportunity for the effective and efficient production of metallic iron.
Los beneficios del proceso de la invención se basan en la capacidad de la energía electromagnética para calentar volumétricamente los materiales. Por ejemplo, los óxidos de hierro, como la hematita y la goetita, y la biomasa absorben fuertemente la energía electromagnética en forma de energía de microondas por encima de aproximadamente 400-600 °C. El solicitante se ha dado cuenta de que se puede generar calor directamente en el mineral y en la biomasa como consecuencia de la absorción de energía para hacer posible la reducción del mineral de hierro a altos niveles de metalización. El solicitante se ha dado cuenta de que esta oportunidad se aplica particularmente cuando el mineral y la biomasa están en estrecho contacto, por ejemplo, cuando están mezclados o aglomerados en forma de briquetas. Con la invención, se pueden minimizar las limitaciones de transferencia de calor del procesamiento convencional, lo que resulta en velocidades de calentamiento significativamente más altas. Los tiempos de calentamiento significativamente reducidos resultan en tiempos de reacción más rápidos y hacen posible una reducción sustancial en el tamaño del horno en comparación con los tamaños de los hornos para procesos DRI convencionales como Midrex (puede tener más de 130 m de altura), y permiten que se construyan hornos horizontales, mientras eliminan la necesidad de calentar grandes volúmenes de gas. La capacidad de generar calor directamente dentro del mineral y la biomasa como consecuencia de la absorción de energía electromagnética hasta el punto de permitir la reducción del mineral de hierro a altos niveles de metalización significa que no es necesario generar calor a partir de la combustión del gas natural. Esto brinda la oportunidad de eliminar la necesidad de comprimir en la medida requerida para los procesos DRI y aumentar el control del proceso. Estos factores juntos brindan la oportunidad de reducir el CAPEx al mismo tiempo que mejoran la operatividad y la capacidad de mantenimiento.The benefits of the process of the invention are based on the ability of electromagnetic energy to volumetrically heat materials. For example, iron oxides, such as hematite and goethite, and biomass strongly absorb electromagnetic energy in the form of microwave energy above about 400-600 °C. The Applicant has realized that heat can be generated directly in the ore and biomass as a consequence of energy absorption to enable the reduction of iron ore to high levels of metallization. The Applicant has realized that this opportunity applies particularly when the ore and biomass are in close contact, for example when they are mixed or agglomerated in the form of briquettes. With the invention, the heat transfer limitations of conventional processing can be minimized, resulting in significantly higher heating rates. Significantly reduced heating times result in faster reaction times and make possible a substantial reduction in furnace size compared to furnace sizes for conventional DRI processes such as Midrex (can be over 130m high), and they allow horizontal furnaces to be built, while eliminating the need to heat large volumes of gas. The ability to generate heat directly within the ore and biomass as a result of absorbing electromagnetic energy up to the point of allowing the reduction of iron ore to high levels of metallization means that it is not necessary to generate heat from the combustion of natural gas. This provides the opportunity to eliminate the need to compress to the extent required for DRI processes and increase process control. Together these factors provide the opportunity to reduce CAPEx while improving operability and maintainability.
Además de lo anterior, y potencialmente el beneficio más importante de la invención, es que la sustitución del gas natural y el carbón por biomasa como reductor también brinda la oportunidad de reducir las emisiones netas de CO2 para las operaciones de fabricación de acero, así como también reducir la dependencia de combustibles fósiles. El proceso incluye exponer el mineral de hierro y la biomasa a energía electromagnética en forma de energía de microondas con el mineral de hierro y la biomasa en contacto en condiciones anóxicas y generando calor dentro del mineral de hierro y con la biomasa actuando como reductor y reduciendo el mineral de hierro en estado sólido. El proceso incluye energía electromagnética en forma de energía de microondas que genera calor dentro del mineral de hierro y puede incluir energía electromagnética en forma de energía de microondas que genera calor dentro de la biomasa.In addition to the above, and potentially the most important benefit of the invention, is that substituting biomass for natural gas and coal as a reductant also provides an opportunity to reduce net CO 2 emissions for steelmaking operations as well. as well as reduce dependence on fossil fuels. The process includes exposing the iron ore and biomass to electromagnetic energy in the form of microwave energy with the iron ore and biomass in contact under anoxic conditions and generating heat within the iron ore and with the biomass acting as a reductant and reducing iron ore in solid state. The process includes electromagnetic energy in the form of microwave energy that generates heat within the iron ore and may include electromagnetic energy in the form of microwave energy that generates heat within the biomass.
El proceso puede incluir el control de las condiciones de operación para que el mineral de hierro se caliente a una temperatura en un intervalo en el que haya metalización del mineral de hierro.The process may include control of operating conditions so that the iron ore is heated to a temperature in a range where there is metallization of the iron ore.
En el caso de la hematita, el proceso puede incluir el control de las condiciones de operación para que el mineral de hierro se caliente a una temperatura en un intervalo de 800-1200 °C para la metalización de la hematita.In the case of hematite, the process may include control of operating conditions so that the iron ore is heated to a temperature in the range of 800-1200°C for hematite metallization.
El mineral de hierro se puede calentar a una temperatura de al menos 800 °C, típicamente de al menos 900 °C. El mineral de hierro se puede calentar a una temperatura de menos de 1200 °C, típicamente menos de 1100 °C. En una modalidad reivindicada, el mineral de hierro se calienta a una temperatura en un intervalo de 850-950 °C.Iron ore can be heated to a temperature of at least 800°C, typically at least 900°C. Iron ore can be heated to a temperature of less than 1,200°C, typically less than 1,100°C. In a claimed embodiment, the iron ore is heated to a temperature in a range of 850-950°C.
El proceso puede incluir el control de las condiciones de operación para que el mineral de hierro se reduzca al grado requerido de metalización y forme un producto de hierro metálico en estado sólido.The process may include control of operating conditions so that the iron ore is reduced to the required degree of metallization and forms a solid state metallic iron product.
El grado de metalización requerido dependerá de una serie de factores, como la(s) aplicación(es) de uso final del producto de hierro.The degree of metallization required will depend on a number of factors, such as the end use application(s) of the iron product.
Típicamente, se apuntará al 100 % de metalización. Sin embargo, la invención no se limita a operar el proceso para lograr el 100 % de metalización.Typically, 100% metallization will be targeted. However, the invention is not limited to operating the process to achieve 100% metallization.
Por ejemplo, el proceso puede incluir el control de las condiciones de operación para que haya al menos un 80 %, típicamente al menos un 90 %, de metalización del mineral de hierro.For example, the process may include control of operating conditions so that there is at least 80%, typically at least 90%, metallization of the iron ore.
El proceso es un proceso continuo que incluye transportar mineral de hierro y biomasa a través de una cámara de calentamiento/reducción que tiene un ambiente anóxico y exponer el mineral de hierro y la biomasa a energía electromagnética en forma de energía de microondas a medida que el mineral de hierro y la biomasa se mueven a través de la cámara.The process is a continuous process that includes transporting iron ore and biomass through a heating/reduction chamber that has an anoxic environment and exposing the iron ore and biomass to electromagnetic energy in the form of microwave energy as the Iron ore and biomass move through the chamber.
El tiempo de residencia en la cámara puede ser una opción de control del proceso.The residence time in the chamber can be a process control option.
El proceso puede incluir generar el ambiente anóxico suministrando un gas inerte a la cámara.The process may include generating the anoxic environment by supplying an inert gas to the chamber.
El gas inerte puede ser cualquier gas inerte adecuado, como nitrógeno.The inert gas can be any suitable inert gas, such as nitrogen.
El proceso incluye el precalentamiento del mineral de hierro y la biomasa.The process includes the preheating of iron ore and biomass.
En la presente invención reivindicada, el proceso incluye precalentar el mineral de hierro y la biomasa a una temperatura en un intervalo de 400-900 °C.In the present claimed invention, the process includes preheating the iron ore and biomass to a temperature in a range of 400-900°C.
El proceso incluye transportar mineral de hierro y biomasa a través de una cámara de precalentamiento y precalentar el mineral de hierro y la biomasa a medida que el mineral de hierro y la biomasa se mueven a través de la cámara hacia una cámara de calentamiento/reducción; transportar mineral de hierro y biomasa a través de la cámara de calentamiento/reducción que tiene un ambiente anóxico y exponer el mineral de hierro y la biomasa a energía electromagnética en forma de energía de microondas a medida que el mineral de hierro y la biomasa se mueven a través de la cámara.The process includes transporting iron ore and biomass through a preheating chamber and preheating the iron ore and biomass as the iron ore and biomass move through the chamber to a heating/reducing chamber; transporting iron ore and biomass through the heating/reducing chamber which has an anoxic environment and exposing the iron ore and biomass to electromagnetic energy in the form of microwave energy as the iron ore and biomass move Throught the camera.
En una modalidad no reivindicada, el proceso puede ser un proceso por lotes. In an unclaimed embodiment, the process may be a batch process.
El proceso puede incluir cualquier opción adecuada para poner en estrecho contacto el mineral de hierro y la biomasa. Estas opciones incluyen, por ejemplo, formar una mezcla de mineral de hierro y biomasa o aglomerar juntos el mineral de hierro y la biomasa.The process may include any suitable option for bringing the iron ore and biomass into close contact. These options include, for example, forming a mixture of iron ore and biomass or agglomerating the iron ore and biomass together.
El proceso incluye exponer una mezcla de fragmentos de mineral de hierro y biomasa a energía electromagnética en forma de energía de microondas en condiciones anóxicas y generar calor dentro de los fragmentos de mineral de hierro que provoca la reducción del mineral de hierro en estado sólido en los fragmentos, con la biomasa proporcionando una fuente de reductor.The process involves exposing a mixture of iron ore fragments and biomass to electromagnetic energy in the form of microwave energy under anoxic conditions and generating heat within the iron ore fragments which causes the reduction of solid iron ore in the solid state. fragments, with the biomass providing a source of reductant.
El proceso incluye exponer briquetas de fragmentos de mineral de hierro, típicamente en forma de finos, y biomasa a energía electromagnética en forma de energía de microondas en condiciones anóxicas y generar calor dentro de las briquetas que provoca la reducción del mineral de hierro en estado sólido en las briquetas, proporcionando la biomasa una fuente de reductor.The process includes exposing briquettes of iron ore fragments, typically in the form of fines, and biomass to electromagnetic energy in the form of microwave energy under anoxic conditions and generating heat within the briquettes which causes reduction of the iron ore to a solid state. in the briquettes, the biomass providing a source of reductant.
Las briquetas de fragmentos de mineral de hierro y biomasa son una opción conveniente para disponer de mineral de hierro y biomasa en contacto.Biomass iron ore shred briquettes are a convenient option for disposing of iron ore and biomass in contact.
El término "briqueta" se usa en la presente descripción como un término general para describir aglomerados de múltiples fragmentos de mineral de hierro. El término pretende cubrir los aglomerados que pueden describirse como comprimidos. El término no se limita a ningún método particular de producir los aglomerados.The term "briquette" is used herein as a general term to describe agglomerates of multiple iron ore fragments. The term is intended to cover agglomerates which can be described as tablets. The term is not limited to any particular method of producing the agglomerates.
El término "fragmento" se entiende en la presente descripción como cualquier pieza de mineral de hierro de tamaño adecuado. Algunas personas expertas en la técnica pueden entender que el término "fragmento", como se usa en la presente descripción, se describe mejor como "partículas" o "finos". La intención es usar términos como sinónimos. Las briquetas pueden ser de cualquier tamaño y forma adecuados. En una modalidad reivindicada, las briquetas tienen una dimensión principal de 1-10 cm, típicamente de 2-10 cm, más típicamente de 2-6 cm y más típicamente de 2-4 cm.The term "chunk" is understood in the present description to mean any piece of iron ore of suitable size. Some persons skilled in the art may understand that the term "fragment", as used in the present description, is better described as "particles" or "fines". The intention is to use terms as synonyms. The briquettes can be of any suitable size and shape. In a claimed embodiment, the briquettes have a main dimension of 1-10 cm, typically 2-10 cm, more typically 2-6 cm, and more typically 2-4 cm.
A manera de ejemplo, las briquetas pueden ser generalmente paralelepipédicas, es decir, en forma de caja con seis lados y todos los ángulos entre lados siendo ángulos rectos.By way of example, briquettes may be generally parallelepiped, ie box-shaped with six sides and all angles between sides being right angles.
Las briquetas pueden incluir cualquier cantidad relativa adecuada de mineral de hierro y biomasa.The briquettes may include any suitable relative amount of iron ore and biomass.
Las briquetas pueden incluir 20-45 % en masa, típicamente 30-45 % en masa, de biomasa.The briquettes may include 20-45% by mass, typically 30-45% by mass, of biomass.
En cualquier situación dada, las proporciones preferidas del mineral de hierro y la biomasa dependerán de una variedad de factores, incluidos, entre otros, el tipo (por ejemplo, hematita, goetita o magnetita) y las características (como el tamaño del fragmento y la mineralogía) del hierro, el tipo y las características de la biomasa, las restricciones del proceso de operación y las consideraciones de manejo de materiales.In any given situation, the preferred proportions of iron ore and biomass will depend on a variety of factors, including but not limited to type (for example, hematite, goethite, or magnetite) and characteristics (such as fragment size and mineralogy) of iron, biomass type and characteristics, operating process constraints, and material handling considerations.
Las briquetas pueden incluir otros componentes. Un posible componente adicional es un aglutinante para facilitar la unión de las briquetas, por ejemplo, para que las briquetas tengan las propiedades estructurales requeridas para los requisitos de manejo de materiales para el proceso.The briquettes may include other components. A possible additional component is a binder to facilitate binding of the briquettes, for example so that the briquettes have the structural properties required for the material handling requirements for the process.
El mineral de hierro puede ser material extraído de la mina que ha sido sometido a trituración y separación por tamaño después de que el material haya sido extraído.Iron ore can be mined material that has been subjected to crushing and size separation after the material has been mined.
A manera de ejemplo, el mineral de hierro puede estar en forma de finos.By way of example, the iron ore may be in the form of fines.
El término "finos" se entiende en la presente descripción como fragmentos de menos de 8 mm.The term "fines" is understood in the present description as fragments less than 8 mm.
El término "anóxico" se entiende en la presente descripción como muy deficiente o totalmente empobrecido en oxígeno.The term "anoxic" is understood in the present description as very deficient or totally depleted of oxygen.
El término "biomasa" se entiende en la presente descripción como materia orgánica viva o recientemente viva. Los productos de biomasa específicos incluyen, a manera de ejemplo, productos forestales (incluidos los residuos de molinos), productos agrícolas, biomasa producida en ambientes acuáticos como algas, residuos agrícolas como paja, huesos de aceituna y cáscaras de nueces, desechos animales, residuos municipales e industriales.The term "biomass" is understood in the present description as living or recently living organic matter. Specific biomass products include, by way of example, forest products (including mill residues), agricultural products, biomass produced in aquatic environments such as algae, agricultural residues such as straw, olive pits and walnut shells, animal waste, waste municipal and industrial.
La biomasa puede ser cualquier biomasa adecuada en cualquier forma adecuada.The biomass can be any suitable biomass in any suitable form.
Una biomasa particular de interés para el solicitante son las familias de helechos acuáticos que incluyen el género Azolla que comprende Azolla pinnata, con nombres comunes de Red Azolla y Ferny Azolla. A particular biomass of interest to the applicant are the families of aquatic ferns including the genus Azolla comprising Azolla pinnata, with common names of Red Azolla and Ferny Azolla.
Otra biomasa de interés incluye, entre otros, cultivos energéticos como variedades de sorgo, pasto varilla y Miscanthus Giganteus, así como también el bagazo de caña de azúcar. El aserrín es una biomasa de interés. La biomasa se puede usar como única fuente de reductor o se puede mezclar.Other biomass of interest includes, among others, energy crops such as varieties of sorghum, switchgrass and Miscanthus Giganteus, as well as sugarcane bagasse. Sawdust is a biomass of interest. Biomass can be used as the sole source of reductant or it can be mixed.
La invención se limita a la energía electromagnética en forma de energía de microondas.The invention is limited to electromagnetic energy in the form of microwave energy.
El enfoque actual del solicitante está en la banda de energía de microondas del espectro de energía electromagnética.Applicant's current focus is in the microwave energy band of the electromagnetic energy spectrum.
Sin embargo, la energía de radiofrecuencia y la energía de rayos X son otras dos opciones entre la gama de opciones en el espectro de energía electromagnética que son de interés para el solicitante.However, radio frequency energy and X-ray energy are two other options among the range of options in the electromagnetic energy spectrum that are of interest to the applicant.
La energía electromagnética puede ser continua o pulsada.Electromagnetic energy can be continuous or pulsed.
La energía de microondas puede tener cualquier frecuencia de microondas adecuada, como una frecuencia en el intervalo de 300 MHz - 300 GHz, 300 MHz - 30 GHz, 300 MHz - 3 GHz, 400-5800 MHz, 900-3500 MHz, 915-2450 MHz. Las frecuencias de microondas particulares son las frecuencias industriales actuales de 2450 MHz o 915 MHz. La energía de radiofrecuencia puede tener cualquier frecuencia adecuada, como una frecuencia en el intervalo de 1 MHz -10 GHz.The microwave energy may have any suitable microwave frequency, such as a frequency in the range 300 MHz - 300 GHz, 300 MHz - 30 GHz, 300 MHz - 3 GHz, 400-5800 MHz, 900-3500 MHz, 915-2450 MHz. The particular microwave frequencies are the current industrial frequencies of 2450 MHz or 915 MHz. The radio frequency energy may have any suitable frequency, such as a frequency in the range of 1 MHz -10 GHz.
El mineral de hierro puede ser de cualquier tipo adecuado, como hematita, goetita y magnetita.The iron ore may be of any suitable type such as hematite, goethite and magnetite.
El proceso puede incluir el procesamiento posterior del producto metálico en estado sólido para formar productos de uso final, como productos de acero.The process may include further processing of the metal product in the solid state to form end-use products, such as steel products.
El aparato es para la reducción directa de mineral de hierro por lo que el mineral de hierro y la biomasa están en forma de briquetas que comprenden una mezcla de mineral de hierro y biomasa.The apparatus is for the direct reduction of iron ore whereby the iron ore and biomass are in the form of briquettes comprising a mixture of iron ore and biomass.
El aparato incluye un horno de precalentamiento para precalentar el mineral de hierro y la biomasa. El horno se adapta para calentar el mineral de hierro y la biomasa a una temperatura en el intervalo de 400-900 °C durante un tiempo predeterminado y un tiempo predeterminado.The apparatus includes a preheating furnace to preheat iron ore and biomass. The furnace is adapted to heat iron ore and biomass to a temperature in the range of 400-900°C for a predetermined time and a predetermined time.
El aparato incluye un conjunto de reducción para tratar los finos de mineral de hierro y la biomasa y, en particular, calentar y reducir los finos de mineral de hierro para formar un producto metalizado.The apparatus includes a reduction assembly for treating the iron ore fines and biomass and, in particular, heating and reducing the iron ore fines to form a metallized product.
El conjunto incluye una cámara de reacción, una fuente de energía electromagnética en forma de energía de microondas, una guía de ondas para transferir energía de microondas a la cámara, una fuente de gas inerte, como nitrógeno, tuberías adecuadas para suministrar el gas inerte al cámara para mantener la cámara en condiciones anóxicas, y una salida para descargar un gas de escape y cualquier partícula retenida que se genere durante el tratamiento en la cámara.The assembly includes a reaction chamber, a source of electromagnetic energy in the form of microwave energy, a waveguide to transfer microwave energy to the chamber, a source of inert gas, such as nitrogen, suitable piping to supply the inert gas to the chamber for maintaining the chamber in anoxic conditions, and an outlet for discharging an exhaust gas and any retained particles generated during treatment in the chamber.
El gas de escape de la cámara de calentamiento/reducción puede contener energía química y térmica. La energía química puede estar predominantemente en forma de monóxido de carbono. La energía del gas de escape puede ser beneficiosa:The exhaust gas from the heating/reducing chamber may contain chemical and thermal energy. Chemical energy may be predominantly in the form of carbon monoxide. Exhaust gas energy can be beneficial:
(a) quemado en una planta de energía para proporcionar electricidad;(a) Burned in a power plant to provide electricity;
(b) separados del resto de los gases de escape y reciclados a través de la cámara de calentamiento/reducción para mejorar la eficiencia del proceso y reducir el requerimiento de biomasa; o(b) separated from the rest of the exhaust gases and recycled through the heating/reduction chamber to improve the efficiency of the process and reduce the biomass requirement; either
(c) proporcionado a una instalación que puede convertir la energía en un biocombustible como el etanol (por ejemplo, el proceso LanzaTech™).(c) provided to a facility that can convert the energy into a biofuel such as ethanol (for example, the LanzaTech™ process).
Si el dióxido de carbono se separa del gas de escape de la cámara de calentamiento/reducción, puede almacenarse geológicamente de manera permanente (también conocido como captura y almacenamiento de carbono), lo que podría generar emisiones netas de carbono negativas para el proceso.If carbon dioxide is separated from the heating/reduction chamber exhaust gas, it can be permanently stored geologically (also known as carbon capture and storage), which could lead to net negative carbon emissions for the process.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
La invención se describe adicionalmente a manera de ejemplo solo con referencia a:The invention is further described by way of example only with reference to:
(a) Las Figuras 1 a 13 que se refieren a un estudio de factibilidad con relación a la invención que se describe a continuación y(a) Figures 1 to 13 that refer to a feasibility study in relation to the invention described below and
(b) La Figura 14 que es un diagrama de bloques de una modalidad de la invención, de las cuales:(b) Figure 14 which is a block diagram of an embodiment of the invention, of which:
Más particularmente: More particularly:
La Figura 1 es un gráfico de las propiedades dieléctricas de una variedad de materiales y minerales de ingeniería a una frecuencia de 2450 MHz a 20 °C, junto con agua a diferentes temperaturas;Figure 1 is a graph of the dielectric properties of a variety of engineering materials and minerals at a frequency of 2450 MHz at 20 °C, together with water at different temperatures;
La Figura 2 es un diagrama que ilustra un método de perturbación de cavidad resonante usado para medir las propiedades dieléctricas de materiales de 20-1000 °C en el estudio de factibilidad;Figure 2 is a diagram illustrating a resonant cavity perturbation method used to measure the dielectric properties of materials from 20-1000 °C in the feasibility study;
Las Figuras 3 y 4 son gráficos para briquetas mezcladas de PBF/biomasa a 2450 MHz y 915 MHz, entre 20-1000 °C probadas en el estudio de factibilidad;Figures 3 and 4 are graphs for mixed PBF/biomass briquettes at 2450 MHz and 915 MHz, between 20-1000 °C tested in the feasibility study;
La Figura 5 es un gráfico de profundidades de penetración de briquetas combinadas de PBF/biomasa en función de la temperatura de medición probada en el estudio de factibilidad;Figure 5 is a graph of combined PBF/biomass briquette penetration depths as a function of measurement temperature tested in the feasibility study;
La Figura 6 es un gráfico de las curvas de temperatura-flujo de calor DSC para mineral de hierro y briquetas combinadas de PBF/biomasa, en nitrógeno, entre 20-1000 °C probadas en el estudio de factibilidad;Figure 6 is a graph of the DSC temperature-heat flux curves for iron ore and combined PBF/biomass briquettes, in nitrogen, between 20-1000 °C tested in the feasibility study;
La Figura 7 es un gráfico de la curva de flujo de calor DSC para briquetas combinadas de PBF/biomasa junto con una curva TGA correspondiente, que muestra el cambio de masa con temperatura entre 20-1200 °C, probado en el estudio de factibilidad;Figure 7 is a plot of the DSC heat flux curve for combined PBF/biomass briquettes along with a corresponding TGA curve, showing the change in mass with temperature between 20-1200 °C, tested in the feasibility study;
La Figura 8 es un esquema de un sistema completo de tratamiento por microondas usado en el estudio de factibilidad;Figure 8 is a schematic of a complete microwave treatment system used in the feasibility study;
La Figura 9 es un gráfico de la curva de masa-temperatura de briquetas mezcladas de PBF/biomasa según se determina mediante el uso de una TGA bajo nitrógeno entre 20-1200 °C, probado en el estudio de factibilidad; La Figura 10 son gráficos de los espectros de XRD para diez tratamientos con microondas;Figure 9 is a graph of the mass-temperature curve of mixed PBF/biomass briquettes as determined using a TGA under nitrogen between 20-1200°C, tested in the feasibility study; Figure 10 are plots of XRD spectra for ten microwave treatments;
La Figura 11 es un gráfico de la relación de los picos de XRD en función de la entrada de energía de microondas probada en el estudio de factibilidad;Figure 11 is a graph of the ratio of XRD peaks as a function of microwave energy input tested in the feasibility study;
La Figura 12 muestra los espectros de XRD para una mezcla de PBF/azúcar en comparación con una mezcla de PBF/azolla y finos de mineral sin procesar probados en el estudio de factibilidad;Figure 12 shows the XRD spectra for a PBF/sugar blend compared to a PBF/azolla blend and raw ore fines tested in the feasibility study;
La Figura 13 muestra los espectros de XRD para tres tratamientos de azúcar en comparación con finos de mineral sin procesar probados en el estudio de factibilidad; yFigure 13 shows the XRD spectra for three sugar treatments compared to raw ore fines tested in the feasibility study; Y
La Figura 14 es un diagrama de una modalidad de un proceso y un aparato para la reducción directa de mineral de hierro en estado sólido de acuerdo con la invención.Figure 14 is a diagram of one embodiment of a process and apparatus for the direct reduction of iron ore in the solid state according to the invention.
Descripción detallada de las modalidadesDetailed description of the modalities
En términos generales, el proceso de la invención incluye exponer el mineral de hierro y la biomasa a energía electromagnética con el mineral de hierro y la biomasa en contacto en condiciones anóxicas, con la energía electromagnética generando calor dentro del mineral de hierro, y con la biomasa actuando como reductor y reduciendo el mineral de hierro en estado sólido.In general terms, the process of the invention includes exposing the iron ore and biomass to electromagnetic energy with the iron ore and biomass in contact under anoxic conditions, with the electromagnetic energy generating heat within the iron ore, and with the Biomass acting as a reducer and reducing the iron ore in solid state.
Estudio de factibilidadFeasibility study
El estudio de factibilidad antes mencionado se llevó a cabo para determinar la viabilidad técnica de lograr la metalización del mineral de hierro (en la forma del producto Pilbara Blend Iron Ore Fines (PBF) de una empresa relacionada del solicitante) mezclado con biomasa de azolla mediante el uso de energía de microondas como la fuente de calor para el mineral de hierro y la biomasa.The aforementioned feasibility study was carried out to determine the technical feasibility of achieving metallization of iron ore (in the form of the Pilbara Blend Iron Ore Fines (PBF) product of a related company of the applicant) mixed with azolla biomass by the use of microwave energy as the heat source for iron ore and biomass.
Se caracterizaron y evaluaron las propiedades dieléctricas y térmicas del mineral de hierro, la biomasa y las briquetas mezcladas de mineral de hierro/biomasa.The dielectric and thermal properties of iron ore, biomass, and mixed iron ore/biomass briquettes were characterized and evaluated.
Los objetivos del estudio fueron los siguientes:The objectives of the study were the following:
• Medición de las propiedades dieléctricas de PBF, biomasa y briquetas combinadas de PBF/biomasa para cuantificar la relación entre la temperatura (20-1000 °C) y la permitividad compleja (propiedades de absorción de microondas) en las frecuencias usadas industrialmente de 2450 MHz y 915 MHz.• Measurement of the dielectric properties of PBF, biomass and combined PBF/biomass briquettes to quantify the relationship between temperature (20-1000 °C) and complex permittivity (microwave absorption properties) at the industrially used frequencies of 2450 MHz and 915MHz.
• determinar la relación entre la temperatura y la metalización mediante la calorimetría diferencial de barrido del PBF y briquetas mezcladas entre 20-1000 °C para identificar transiciones de materiales clave en el proceso de reducción bajo nitrógeno, e identificar la temperatura esperada requerida para metalizar briquetas mezcladas mediante el uso de energía de microondas.• determine the relationship between temperature and metallization using differential scanning calorimetry of PBF and mixed briquettes between 20-1000°C to identify key material transitions in the reduction process under nitrogen, and identify the expected temperature required to metallize briquettes mixed by using microwave energy.
• Analizar por termogravimetría del PBF y briquetas mezcladas entre 20-1000 °C bajo nitrógeno para determinar la relación entre la temperatura y la pérdida de masa durante el proceso de reducción e identificar la masa residual esperada de briquetas mezcladas metalizadas con energía de microondas.• Analyze by thermogravimetry of PBF and blended briquettes between 20-1000 °C under nitrogen to determine the relationship between temperature and mass loss during the reduction process and identify the expected residual mass of blended briquettes metallized with microwave energy.
• Ensayos de calentamiento por microondas de briquetas mezcladas en condiciones anóxicas a 2,45 GHz para determinar la influencia de la densidad de potencia de microondas (1 o 2 kW de potencia aplicada), la energía total aplicada (hasta 75 GJ/t de producto) y el tiempo de tratamiento (entre 1 y 16 minutos) sobre metalización.• Microwave heating tests of mixed briquettes in anoxic conditions at 2.45 GHz to determine the influence of microwave power density (1 or 2 kW of applied power), total applied energy (up to 75 GJ/t of product ) and the treatment time (between 1 and 16 minutes) on metallization.
• Realizar la caracterización por XRD semicuantitativa de PBF, briquetas combinadas y todas las muestras tratadas con microondas para identificar todas las fases que contienen hierro y determinar la relación entre las condiciones del tratamiento con microondas y el grado de metalización logrado.• Perform semi-quantitative XRD characterization of PBF, blended briquettes, and all microwave-treated samples to identify all iron-containing phases and determine the relationship between microwave treatment conditions and degree of metallization achieved.
• Realizar el tratamiento con microondas de PBF mezclado con sacarosa al 35 %, 50 % y 65 % (en masa) para determinar la influencia del tipo de biomasa y el contenido de biomasa en el grado de metalización. • Carry out the microwave treatment of PBF mixed with sucrose at 35%, 50% and 65% (by mass) to determine the influence of the type of biomass and biomass content on the degree of metallization.
• Medir las temperaturas externas de un recinto de tratamiento de ladrillos refractarios después del tratamiento a las energías más altas y estimación de la pérdida de calor de la muestra al recinto, para determinar el balance energético del tratamiento con microondas y las eficiencias potenciales para un proceso industrial optimizado donde se minimizan las pérdidas de calor.• Measure the external temperatures of a refractory brick treatment enclosure after treatment at the highest energies and estimate the heat loss from the sample to the enclosure, to determine the energy balance of the microwave treatment and the potential efficiencies for a process. optimized industrial where heat losses are minimized.
1. Caracterización de Materiales (Programa de Trabajo 1) 1. Characterization of Materials ( Work Program 1)
Esta sección presenta la teoría, la metodología y los resultados de la caracterización de PBF, biomasa de azolla y briquetas combinadas de PBF/biomasa, que se realizaron para comprender sus interacciones fundamentales con la energía de microondas antes de comenzar la matriz de prueba en el Programa de trabajo 2.This section presents the theory, methodology, and results of the characterization of PBF, azolla biomass, and combined PBF/biomass briquettes, which were conducted to understand their fundamental interactions with microwave energy before starting the test array in the Work program 2.
1.1 Caracterización dieléctrica1.1 Dielectric characterization
1.1.1 Teoría dieléctrica1.1.1 Dielectric theory
La capacidad de los materiales para absorber y posteriormente calentar debido a un campo electromagnético aplicado depende de las propiedades eléctricas y magnéticas del material, específicamente la permitividad (e), la permeabilidad (|j) y la conductividad (Oe). Para la mayoría de los materiales, la interacción dominante es con el campo eléctrico; las propiedades dieléctricas son una medida de esta interacción. Las propiedades dieléctricas de un material homogéneo se describen por la permitividad relativa compleja como se muestra en la Ecuación 1:The ability of materials to absorb and subsequently heat due to an applied electromagnetic field depends on the electrical and magnetic properties of the material, specifically permittivity (e), permeability (|j), and conductivity (Oe). For most materials, the dominant interaction is with the electric field; dielectric properties are a measure of this interaction. The dielectric properties of a homogeneous material are described by the complex relative permittivity as shown in Equation 1:
**
'■ _ / • '■ _ / •
~ '■ ~ T- Ecuación 1 ~ '■ ~ T- Equation 1
Donde £*=permisividad relativa compleja; £' = constante dieléctrica; e" = factor de pérdidas dieléctricas; j=^-1.Where £*=complex relative permittivity; £' = dielectric constant; e" = dielectric loss factor; j=^-1.
La constante dieléctrica (parte real de la permitividad), e', mide la capacidad de un material para ser polarizado por un campo eléctrico externo; es decir, la capacidad de polarización de cargas y dipolos. El factor de pérdida dieléctrica (parte imaginaria de la permitividad), e", mide la capacidad de un material para disipar la energía almacenada en forma de calor. Las propiedades dieléctricas de los materiales pueden variar de acuerdo con la composición, el contenido de agua, la temperatura, la frecuencia y la densidad. La Figura 1 traza las propiedades dieléctricas a 2450 MHz, para una variedad de materiales de ingeniería y minerales a 20 °C, junto con agua a diferentes temperaturas.The dielectric constant (real part of the permittivity), e ', measures the ability of a material to be polarized by an external electric field; that is, the polarization capacity of charges and dipoles. The dielectric loss factor (imaginary part of the permittivity), e", measures the ability of a material to dissipate stored energy as heat. The dielectric properties of materials can vary according to composition, water content , temperature, frequency, and density Figure 1 plots the dielectric properties at 2450 MHz, for a variety of engineering materials and minerals at 20 °C, along with water at different temperatures.
1.1.2 Medida de permitividad compleja1.1.2 Complex permittivity measurement
Se realizaron mediciones de propiedades dieléctricas en los componentes de biomasa de PBF y azolla y también en las briquetas mezcladas. Se cuantificó su relación con la temperatura hasta 1000 °C. Este conocimiento proporciona una comprensión mecánica del proceso y también informa de manera crucial tanto la metodología de prueba para WP2 como las discusiones sobre el potencial para el desarrollo del sistema a gran escala. Estas medidas se realizaron en las frecuencias de microondas usadas industrialmente de 2450-915 MHz.Measurements of dielectric properties were made on the biomass components of PBF and azolla and also on the mixed briquettes. Its relationship with temperature was quantified up to 1000 °C. This knowledge provides a mechanical understanding of the process and also crucially informs both the testing methodology for WP2 and discussions of the potential for large-scale system development. These measurements were made at the industrially used microwave frequencies of 2450-915 MHz.
Se usó un método de perturbación de cavidad resonante (ver Figura 2) para medir las propiedades dieléctricas de los materiales entre 20-1000 °C. La cavidad resonante consta de una cavidad cilíndrica de cobre conectada a un analizador de red vectorial, que mide el cambio de frecuencia y el cambio en el factor de calidad con relación a la cavidad resonante vacía cuando se introduce una muestra. Las muestras finamente molidas (<100 jm ) se cargaron en un tubo de cuarzo (lana de cerámica debajo de la muestra y abierta en la parte superior para minimizar la entrada de aire) y se mantuvieron en un horno calentado convencionalmente sobre la cavidad hasta que se alcanzó el punto de ajuste de temperatura. A continuación, el tubo se introdujo en la cavidad y se determinaron las propiedades a las frecuencias de microondas usadas industrialmente de 2450 MHz y 915 MHz. Cabe señalar que no fue posible realizar con seguridad la caracterización dieléctrica en condiciones anóxicas (es decir, bajo nitrógeno) ya que tanto la cavidad como el horno estaban abiertos al laboratorio.A resonant cavity perturbation method (see Figure 2) was used to measure the dielectric properties of the materials between 20-1000 °C. The resonant cavity consists of a cylindrical copper cavity connected to a vector network analyzer, which measures the change in frequency and the change in quality factor relative to the empty resonant cavity when a sample is introduced. Finely ground samples (<100 jm) were loaded into a quartz tube (ceramic wool below the sample and open at the top to minimize air intake) and kept in a conventionally heated oven above the cavity until temperature set point has been reached. The tube was then inserted into the cavity and the properties were determined at the industrially used microwave frequencies of 2450 MHz and 915 MHz. It should be noted that dielectric characterization could not be performed reliably under anoxic conditions (i.e. under nitrogen ) since both the cavity and the oven were open to the laboratory.
Se graficaron los resultados de la medición de la propiedad dieléctrica del PBF, la biomasa de azolla y las briquetas combinadas de PBF/biomasa a 2450 MHz y 915 MHz, entre 20-1000 °C. Las Figuras 3 y 4 son los gráficos para briquetas mezcladas de PBF/biomasa a 2450 MHz y 915 MHz, entre 20-1000 °C. En cada gráfico, la temperatura se representa en el eje horizontal, la constante dieléctrica en el eje vertical izquierdo (línea azul) y la pérdida dieléctrica en el eje vertical derecho (línea roja). Las mediciones a 2450 MHz se relacionan con la frecuencia comúnmente usada para pruebas a escala de laboratorio, mientras que las mediciones a 915 MHz se relacionan con la frecuencia usada actualmente para la mayoría de los sistemas de procesamiento industrial a niveles de potencia superiores a 50 kW.The dielectric property measurement results of PBF, azolla biomass and combined PBF/biomass briquettes at 2450 MHz and 915 MHz, between 20-1000 °C, were plotted. Figures 3 and 4 are the graphs for mixed PBF/biomass briquettes at 2450 MHz and 915 MHz, between 20-1000 °C. In each plot, temperature is plotted on the horizontal axis, dielectric constant on the left vertical axis (blue line), and dielectric loss on the right vertical axis (red line). Measurements at 2450 MHz relate to the frequency commonly used for laboratory-scale testing, while measurements at 915 MHz relate to the frequency currently used for most industrial processing systems at power levels greater than 50 kW. .
Se encontró que el PBF tiene propiedades dieléctricas relativamente consistentes entre 20-600 °C. Ligeras inflexiones a alrededor de 100 °C y 300-400 °C se debieron a la eliminación de agua libre y grupos hidroxilo de la goetita, respectivamente. Por encima de 600 °C, el PBF mostró un aumento en las propiedades dieléctricas, atribuido a cambios de fase de óxido de hierro dependientes de la temperatura. PBF was found to have relatively consistent dielectric properties between 20-600 °C. Slight inflections at around 100 °C and 300-400 °C were due to removal of free water and hydroxyl groups from goethite, respectively. Above 600 °C, PBF showed an increase in dielectric properties, attributed to temperature-dependent iron oxide phase changes.
Se encontró que la biomasa de azolla absorbe fuertemente la energía de microondas por debajo de aproximadamente 150 °C y por encima de 500 °C. La reducción de las propiedades dieléctricas entre 100-200 °C se debió a la eliminación del agua libre. El aumento por encima de los 500 °C se debió a la pirólisis de la biomasa, liberando volátiles para dejar carbón carbonáceo y cenizas (debido al sellado imperfecto del tubo, es poco probable que se hubieran logrado condiciones completamente anóxicas).Azolla biomass was found to strongly absorb microwave energy below about 150 °C and above 500 °C. The reduction of the dielectric properties between 100-200 °C was due to the elimination of free water. The rise above 500 °C was due to pyrolysis of the biomass, releasing volatiles to leave carbonaceous char and ash (due to the imperfect sealing of the tube, it is unlikely that fully anoxic conditions would have been achieved).
Dados los resultados anteriores para PBF y biomasa por separado, no es sorprendente que los resultados de medición de las briquetas combinadas de PBF/biomasa exhibieran características tanto del mineral de hierro como de la biomasa. Las inflexiones entre 100-200 °C y entre 300-400 °C se debieron a la eliminación de agua libre tanto del mineral de hierro como de la biomasa, y la eliminación de los grupos hidroxilo de la goetita. El aumento entre 500-700 °C se debió a la combustión de la biomasa, ya que de nuevo el tubo abierto no permitía una atmósfera totalmente reductora. La disminución por encima de 700 °C se debió a la reducción progresiva de los óxidos de hierro.Given the above results for PBF and biomass separately, it is not surprising that the measurement results for the combined PBF/biomass briquettes exhibited characteristics of both iron ore and biomass. The inflections between 100-200 °C and between 300-400 °C were due to the removal of free water from both the iron ore and biomass, and the removal of hydroxyl groups from goethite. The increase between 500-700 °C was due to biomass combustion, since again the open tube did not allow a fully reducing atmosphere. The decrease above 700 °C was due to the progressive reduction of iron oxides.
En general, tanto el PBF como la biomasa de azolla y las briquetas combinadas de PBF/biomasa absorbieron fuertemente la energía de microondas en todo el intervalo de temperatura medido, tanto a 2450 MHz como a 915 MHz, particularmente por debajo de 200 °C y por encima de 700 °C.In general, both PBF and azolla biomass and combined PBF/biomass briquettes strongly absorbed microwave energy throughout the measured temperature range, both at 2450 MHz and 915 MHz, particularly below 200 °C and above 700°C.
1.1.3 Profundidad de penetración1.1.3 Penetration depth
Cuando una onda de energía electromagnética se propaga en un material dieléctrico, su amplitud disminuye debido a la absorción de energía en el material. La intensidad del campo y la potencia cae exponencialmente con la profundidad desde la superficie del material. Dp, la profundidad de penetración de la energía electromagnética en un material se define como la profundidad a la que el flujo de potencia cae a 1/e (0,368) de su valor superficial, La profundidad de penetración en un material es un buen indicador del potencial para lograr uniformidad de calentamiento dentro de un material. La profundidad de penetración es proporcional a la longitud de onda; a frecuencias más altas es más probable el calentamiento de la superficie, mientras que a bajas frecuencias se logra más fácilmente el calentamiento volumétrico. La profundidad de penetración es importante cuando se requiere el calentamiento volumétrico de un material. Cabe señalar que se produce algo de calentamiento más allá de la profundidad de penetración definida, ya que el campo eléctrico no llega a cero hasta algún punto después de la profundidad de penetración. La selección de la frecuencia adecuada es importante para garantizar que las dimensiones del material no sean mucho mayores que la profundidad de penetración; por lo tanto, es un parámetro de diseño clave cuando se considera el diseño y la ampliación del proceso.When a wave of electromagnetic energy propagates in a dielectric material, its amplitude decreases due to the absorption of energy in the material. The field strength and power fall off exponentially with depth from the surface of the material. Dp, the depth of penetration of electromagnetic energy into a material is defined as the depth to which the power flux drops to 1/e (0.368) of its surface value, The depth of penetration into a material is a good indicator of the potential to achieve uniformity of heating within a material. The depth of penetration is proportional to the wavelength; at higher frequencies surface heating is more likely, while at lower frequencies volumetric heating is more easily achieved. Penetration depth is important when volumetric heating of a material is required. It should be noted that some heating occurs beyond the defined penetration depth, since the electric field does not go to zero until some point after the penetration depth. Selection of the proper frequency is important to ensure that the dimensions of the material are not much greater than the depth of penetration; therefore, it is a key design parameter when considering process design and scale-up.
Las profundidades de penetración de las briquetas combinadas de PBF/biomasa se calcularon y se representan en la Figura 5 en función de la temperatura de medición. Las briquetas mezcladas exhibieron un aumento en la profundidad de penetración entre 100 y 200 °C, debido a la remoción de agua libre. Luego, la profundidad de penetración disminuyó alrededor de 300 °C, con una ligera inflexión alrededor de 350 °C debido a la eliminación de los grupos hidroxilo. Por encima de 500 °C, la profundidad de penetración permaneció relativamente constante. La profundidad de penetración fue alta a 915 MHz en comparación con 2450 MHz (aproximadamente 5 cm y 2 cm respectivamente, por encima de 500 °C). En general, la profundidad de penetración fue similar en escala a las dimensiones de las briquetas mezcladas. Esto sugiere que, desde la perspectiva del calentamiento por microondas, sería posible lograr un calentamiento volumétrico de una carga continua de 5-10 cm de espesor a 915 MHz.The penetration depths of the combined PBF/biomass briquettes were calculated and are plotted in Figure 5 as a function of measurement temperature. The mixed briquettes exhibited an increase in the penetration depth between 100 and 200 °C, due to the removal of free water. Then, the penetration depth decreased around 300 °C, with a slight inflection around 350 °C due to the removal of the hydroxyl groups. Above 500 °C, the penetration depth remained relatively constant. Penetration depth was high at 915 MHz compared to 2450 MHz (approximately 5 cm and 2 cm, respectively, above 500 °C). In general, the depth of penetration was similar in scale to the dimensions of the mixed briquettes. This suggests that, from a microwave heating perspective, it would be possible to achieve volumetric heating of a 5-10 cm thick continuous charge at 915 MHz.
1.2 Caracterización Térmica1.2 Thermal Characterization
Se realizaron análisis termogravimétricos (TGA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC) tanto en PBF como en briquetas combinadas de PBF/biomasa en condiciones anóxicas (bajo nitrógeno) y se cuantificó su relación con la temperatura hasta 1000 °C.Thermogravimetric analyzes (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) were performed on both PBF and combined PBF/biomass briquettes under anoxic conditions (under nitrogen) and their relationship with temperature up to 1000 °C was quantified.
La DSC permite el mapeo del comportamiento térmico y la identificación de "eventos térmicos" durante el proceso de calentamiento.DSC allows mapping of thermal behavior and identification of "thermal events" during the heating process.
El TGA proporciona una comprensión mecánica de cómo debe cambiar la masa de las briquetas durante el proceso de tratamiento con microondas. La combinación de los datos de comportamiento térmico permite la predicción de un "intervalo de metalización" en base a la pérdida de masa de las muestras tratadas con microondas, medida después del tratamiento.The TGA provides a mechanistic understanding of how the mass of the briquettes should change during the microwave treatment process. The combination of the thermal behavior data allows the prediction of a "metallization interval" based on the mass loss of the microwave-treated samples, measured after the treatment.
La Figura 6 representa las curvas de temperatura-flujo de calor de la DSC para el mineral de hierro y las briquetas combinadas de PBF/biomasa, en nitrógeno, entre 20-1000 °C. A partir de estas curvas, se pueden identificar tres eventos térmicos que ocurren durante la reducción directa del mineral de hierro en presencia de biomasa en condiciones de DSC. El primero es la eliminación del agua libre justo por encima de los 100 °C de la fracción de biomasa de las briquetas. El segundo evento térmico es la eliminación de los grupos hidroxilo de la goetita y la conversión a hematita; este pico se desplaza ligeramente en la muestra de briquetas. Esto posiblemente se deba a que los productos de pirólisis de la biomasa permiten que la conversión de goetita a hematita ocurra a una temperatura más baja. El evento térmico final identificado es el inicio de la metalización alrededor de los 850 °C en la muestra de briquetas.Figure 6 represents the DSC temperature-heat flux curves for iron ore and combined PBF/biomass briquettes, in nitrogen, between 20-1000 °C. From these curves, three thermal events that occur during the direct reduction of iron ore in the presence of biomass under DSC conditions can be identified. The first is the removal of free water just above 100 °C from the biomass fraction of the briquettes. The second thermal event is the removal of the hydroxyl groups from goethite and conversion to hematite; this peak is slightly shifted in the briquette sample. This is possibly due to the biomass pyrolysis products allowing the conversion of goethite to hematite to occur at a lower temperature. The final thermal event identified is the start of metallization around 850 °C in the briquette sample.
En la Figura 7, la curva de flujo de calor DSC para briquetas combinadas de PBF/biomasa se traza junto con la curva TGA correspondiente, mostrando el cambio de masa con temperatura entre 20-1200 °C (el intervalo de medición de temperatura para la briqueta se amplió desde 1000 °C para identificar el punto final de metalización). Los datos sugieren un punto de inicio de metalización alrededor de 850 °C y un punto final a aproximadamente 950 °C, en condiciones de DSC.In Figure 7, the DSC heat flux curve for combined PBF/biomass briquettes is plotted together with the corresponding TGA curve, showing the mass change with temperature between 20-1200 °C (the temperature measurement range for the briquette was extended from 1000 °C to identify the endpoint of metallization). The data suggest a metallization start point around 850 °C and an end point at about 950 °C, under DSC conditions.
En el punto final de la metalización, el cambio de peso con la temperatura de la briqueta comienza a estabilizarse. La masa residual de la muestra de DSC-TGA a esta temperatura fue del 57 %. Esto sugiere que, si las condiciones del tratamiento con microondas son las mismas que para la caracterización, las muestras tratadas que pesen menos del 57 % de su masa original deberían metalizarse, con poco o ningún óxido de hierro presente.At the end point of metallization, the change in weight with temperature of the briquette begins to stabilize. The residual mass of the DSC-TGA sample at this temperature was 57%. This suggests that, if microwave treatment conditions are the same as for characterization, treated samples weighing less than 57% of their original mass should be metallized, with little or no iron oxide present.
1.3 Resumen del paquete de trabajo 11.3 Summary of work package 1
• Las propiedades dieléctricas del PBF, la biomasa y las briquetas combinadas de PBF/biomasa se midieron mediante el método de perturbación de la cavidad, entre 20-1000 °C a las frecuencias usadas industrialmente de 2450 MHz y 915 MHz. Los resultados indican que todos los materiales exhiben fuertes propiedades de absorción de microondas en todo el intervalo medido. Por encima de 500 °C, las profundidades de penetración son relativamente constantes (~2cm a 2450MHz y ~5cm a 915MHz). Esto indica que a 915 MHz sería posible lograr un calentamiento volumétrico de una carga continua de 5 a 10 cm de espesor, aunque ocurre algo de calentamiento más allá de la profundidad de penetración definida. Estos resultados muestran que todos los materiales deberían absorber fuertemente la energía de microondas en todos los experimentos de metalización propuestos en el Paquete de trabajo 2.• The dielectric properties of PBF, biomass and combined PBF/biomass briquettes were measured by the cavity perturbation method, between 20-1000 °C at the industrially used frequencies of 2450 MHz and 915 MHz. The results indicate that all materials exhibit strong microwave absorption properties throughout the measured range. Above 500 °C, penetration depths are relatively constant (~2cm at 2450MHz and ~5cm at 915MHz). This indicates that at 915 MHz it would be possible to achieve volumetric heating of a continuous charge 5 to 10 cm thick, although some heating occurs beyond the defined penetration depth. These results show that all materials should strongly absorb microwave energy in all metallization experiments proposed in Work Package 2.
• Se usó calorimetría diferencial de barrido de PBF y briquetas combinadas de PBF/biomasa entre 20-1000 °C para identificar transiciones de materiales clave en el proceso de reducción bajo nitrógeno, determinar la relación entre la temperatura y la metalización e identificar la temperatura esperada requerida para metalizar briquetas combinadas mediante el uso de energía de microondas. Se identificó que la región clave para la metalización de las briquetas estaba entre 850-950 °C.• Differential scanning calorimetry of PBF and combined PBF/biomass briquettes between 20-1000 °C was used to identify key material transitions in the reduction process under nitrogen, determine the relationship between temperature and metallization and identify the expected temperature required to metallize blended briquettes using microwave energy. The key region for briquette metallization was identified to be between 850-950 °C.
• Se realizó un análisis termogravimétrico del PBF y las briquetas mezcladas entre 20-1000 °C bajo nitrógeno para determinar la relación entre la temperatura y la pérdida de masa durante el proceso de reducción, e identificar la masa residual esperada de las briquetas mezcladas metalizadas con energía de microondas. La masa sugerida de una muestra metalizada a 950 °C fue el ~57 % de su masa antes de la reducción. Esto sugiere que si los tratamientos DSC-TGA y microondas proporcionan atmósferas reductoras equivalentes, las muestras tratadas en el programa de trabajo 2 con una masa del ~57 % debe exhibir metalización.• A thermogravimetric analysis of the PBF and the mixed briquettes was performed between 20-1000 °C under nitrogen to determine the relationship between temperature and mass loss during the reduction process, and to identify the expected residual mass of the metallized mixed briquettes with microwave energy. The suggested mass of a plated sample at 950 °C was ~57% of its mass before reduction. This suggests that if the DSC-TGA and microwave treatments provide equivalent reducing atmospheres, the samples treated in Work Program 2 with a mass of ~57% should exhibit metallization.
2. Prueba de concepto de microondas (Programa de trabajo 2) 2. Microwave Proof of Concept ( Work Program 2)
Esta sección presenta la metodología experimental y los resultados de los experimentos de calentamiento por microondas para determinar la viabilidad técnica de lograr la metalización completa mediante el calentamiento de las briquetas mezcladas de PBF/azolla mediante el uso de energía de microondas en una atmósfera anóxica.This section presents the experimental methodology and results of microwave heating experiments to determine the technical feasibility of achieving complete metallization by heating PBF/azolla blended briquettes using microwave energy in an anoxic atmosphere.
Los ensayos realizados cuantifican la relación entre el aporte energético, la densidad de potencia, el tiempo de tratamiento y el grado de metalización del producto. El resultado de cada tratamiento de microondas diferente se evaluó mediante difracción de rayos X semicuantitativa (XRD) para determinar el grado de metalización que se había logrado con relación a las briquetas no tratadas.The tests carried out quantify the relationship between the energy input, the power density, the treatment time and the degree of metallization of the product. The result of each different microwave treatment was evaluated by semi-quantitative X-ray diffraction (XRD) to determine the degree of metallization that had been achieved relative to the untreated briquettes.
2.1 Metodología Experimental y Sistema de Tratamiento 2.1 Experimental Methodology and Treatment System
Se dispuso de una gama de sistemas de microondas personalizados y de laboratorio para tratamientos de microondas de prueba de concepto. Las mediciones de propiedades dieléctricas realizadas en el programa de Trabajo 1 mostraron que la mezcla de mineral de hierro/biomasa tiene fuertes propiedades de absorción de microondas.A range of laboratory and custom microwave systems were available for proof-of-concept microwave treatments. Measurements of dielectric properties carried out in Work program 1 showed that the iron ore/biomass mixture has strong microwave absorption properties.
Se seleccionó un sistema multimodo a escala de laboratorio (regiones de alto y bajo campo eléctrico a través de la cavidad), con dimensiones de 540x425x425mm. Los tratamientos con microondas se llevaron a cabo a la frecuencia asignada de 2450 MHz, que es la más adecuada para pruebas de laboratorio a pequeña escala.A laboratory scale multimode system (high and low electric field regions through the cavity) with dimensions of 540x425x425mm was selected. Microwave treatments were carried out at the assigned frequency of 2450 MHz, which is the most suitable for small-scale laboratory tests.
Por cada tratamiento realizado, aproximadamente 27g (~4 briquetas) se pesó una muestra de material y se colocó en una carcasa de ladrillo refractario de mullita dentro de la cavidad multimodo. Este material es esencialmente transparente a la energía de microondas en comparación con las briquetas y, por lo tanto, se asumió que toda la energía aplicada fue absorbida por la muestra, aunque en realidad habría habido disipación de energía en esta fase tanto a través del débil calentamiento por microondas como por la transferencia de calor de las briquetas. Esta carcasa se usó para reducir las pérdidas de calor de la superficie de la muestra durante el procesamiento. For each treatment performed, approximately 27g (~4 briquettes) material sample was weighed and placed in a mullite refractory brick shell within the multimode cavity. This material is essentially transparent to microwave energy compared to briquettes, and therefore all applied energy was assumed to be absorbed by the sample, although in reality there would have been energy dissipation in this phase both through the weak microwave heating as well as by heat transfer from briquettes. This casing was used to reduce heat losses from the sample surface during processing.
El sistema se invirtió con nitrógeno a un caudal de 25 litros por minuto antes y durante el tratamiento con microondas para proporcionar condiciones anóxicas.The system was flushed with nitrogen at a flow rate of 25 liters per minute before and during microwave treatment to provide anoxic conditions.
A continuación, la muestra se trató a la potencia y el tiempo de tratamiento seleccionados.The sample was then treated at the selected power and treatment time.
La extracción de aire se usó durante el procesamiento por microondas para eliminar los gases y las partículas generadas durante la pirólisis de la fracción de biomasa de las briquetas.Air extraction was used during microwave processing to remove gases and particulates generated during pyrolysis from the biomass fraction of the briquettes.
Durante el tratamiento, la energía absorbida por la carga fue monitoreada y controlada mediante un sintonizador automático y una PC.During the treatment, the energy absorbed by the load was monitored and controlled by means of an automatic tuner and a PC.
En la Figura 8 se muestra un esquema del sistema de tratamiento de microondas completo.A schematic of the complete microwave treatment system is shown in Figure 8.
Para las dosis de microondas más altas, las temperaturas en el exterior del ladrillo refractario se midieron inmediatamente después del tratamiento con microondas mediante el uso de una pistola de infrarrojos, para permitir la disipación de calor en los ladrillos refractarios y, por lo tanto, estimar el balance de energía.For the highest microwave doses, temperatures on the outside of the firebrick were measured immediately after microwave treatment by using an infrared gun, to allow heat dissipation in the firebricks and thus estimate the energy balance.
Una vez que el material se enfrió, se recuperó de la carcasa de ladrillos refractarios y se volvió a pesar para determinar la masa perdida durante el tratamiento, luego se molió hasta obtener un polvo fino para la caracterización por XRD.Once the material cooled, it was recovered from the refractory brick shell and reweighed to determine mass lost during treatment, then ground to a fine powder for XRD characterization.
2.2 Resultados del tratamiento con microondas2.2 Results of microwave treatment
Para determinar la influencia de la entrada de energía y la densidad de potencia/tiempo de tratamiento en el grado de metalización, se completó una matriz de 11 tratamientos, como se muestra en la Tabla 1 más abajo.To determine the influence of energy input and power density/treatment time on the degree of metallization, an array of 11 treatments was completed, as shown in Table 1 below.
Tabla 1 Matriz de prueba del estudio de factibilidadTable 1 Feasibility Study Test Matrix
La potencia aplicada se fijó en 1 kW o 2 kW, y se usaron tiempos de tratamiento de entre 1 y 16 minutos. Se usó un sintonizador automático para minimizar la potencia reflejada y asegurar que se absorbiera >95 % de la energía aplicada. Estos tratamientos dieron como resultado aportes de energía de microondas de entre 1000-11 300 kWh/t de briquetas, equivalentes a entre 5 y 74 GJ/t de producto (en base a la masa recuperada de material tratado). Una inspección visual de las muestras de briquetas sin tratar y tratadas con microondas después de la molienda mostró un claro cambio de color progresivo con el aumento de la entrada de energía, debido al nivel de reducción de minerales de hierro desde hematita roja hasta hierro metálico gris.The applied power was set at 1 kW or 2 kW, and treatment times between 1 and 16 minutes were used. An automatic tuner was used to minimize reflected power and ensure that >95% of the applied power was absorbed. These treatments resulted in microwave energy inputs of between 1,000-11,300 kWh/t of briquettes, equivalent to between 5 and 74 GJ/t of product (based on the recovered mass of treated material). A visual inspection of the untreated and microwaved briquette samples after milling showed a clear progressive color change with increasing energy input, due to the level of reduction of iron minerals from red hematite to gray metallic iron. .
La Figura 9 representa la curva de masa-temperatura de las briquetas combinadas de PBF/biomasa según se determina mediante el uso de la TGA bajo nitrógeno entre 20-1200 °C.Figure 9 represents the mass-temperature curve of combined PBF/biomass briquettes as determined using TGA under nitrogen between 20-1200°C.
A partir de la caracterización por DSC de las briquetas mezcladas realizada en el paquete de trabajo 1, el punto final esperado del proceso de reducción (en condiciones de la DSC) fue de aproximadamente 950 °C. A esta temperatura, la TGA tenía una masa de muestra residual del 57 %. Al trazar la masa residual de las muestras tratadas con microondas frente a la entrada de energía de microondas en la Figura 9 y ajustar una curva de tratamiento para una potencia aplicada de 1 kW y 2 kW, fue posible determinar un intervalo de metalización previsto, en base a la masa residual. Esta predicción supuso que se había recuperado toda la masa residual de las muestras tratadas con microondas y que las condiciones de reducción para el tratamiento con DSC-TGA y con microondas eran similares.From the DSC characterization of the mixed briquettes performed in Work Package 1, the expected endpoint of the reduction process (under DSC conditions) was approximately 950 °C. At this temperature, the TGA had a residual sample mass of 57%. By plotting the residual mass of microwave treated samples against microwave energy input in Figure 9 and fitting a treatment curve for 1 kW and 2 kW applied power, it was possible to determine an expected metallization range, in based on residual mass. This prediction assumed that all the residual mass of the samples had been recovered. microwaved and that the reduction conditions for DSC-TGA and microwave treatment were similar.
En base a esto, cuatro de las muestras tratadas con microondas (resaltadas en la región amarilla de la Figura 9) mostraron una metalización significativa o completa. Las curvas también sugirieron que una dosis de energía de microondas de ~38 GJ/t de producto en el sistema no optimizado usado sería suficientes para lograr la metalización en base a una masa residual del 57 %.Based on this, four of the microwave treated samples (highlighted in the yellow region of Figure 9) showed significant or complete metallization. The curves also suggested that a microwave energy dose of ~38 GJ/t of product in the non-optimized system used would be sufficient to achieve metallization based on a residual mass of 57%.
La Figura 10 representa los espectros de XRD para los diez tratamientos con microondas para los cuales se pudo recuperar la masa total de la muestra residual, junto con los espectros de XRD para las briquetas no tratadas. Las etiquetas representan los picos principales de cada uno de los minerales de hierro presentes en las muestras (algunos picos menores no han sido identificados por el software de identificación de minerales)Figure 10 represents the XRD spectra for the ten microwave treatments for which the total mass of the residual sample could be recovered, together with the XRD spectra for the untreated briquettes. The labels represent the main peaks of each of the iron minerals present in the samples (some minor peaks have not been identified by the mineral identification software)
Los resultados de XRD muestran un claro aumento en el nivel de transformación de hematita a hierro metálico con el aumento del tiempo de entrada/tratamiento de energía de microondas. De las cuatro muestras identificadas en la Figura 10 como probables de tener un alto grado de metalización, tres tienen picos significativos para el hierro metálico, a saber, 1 kW 12 minutos, 1 kW 16 minutos y 2 kW 8 minutos.The XRD results show a clear increase in the level of transformation of hematite to metallic iron with increasing microwave energy input/treatment time. Of the four samples identified in Figure 10 as likely to have a high degree of metallization, three have significant peaks for metallic iron, namely 1 kW 12 minutes, 1 kW 16 minutes and 2 kW 8 minutes.
Los espectros para energías de tratamiento intermedio también revelan la presencia de otros dos productos de reducción de óxido de hierro, magnetita y wustita. La presencia de estos intermedios sugiere la siguiente ruta de metalización en condiciones anóxicas:Spectra for intermediate treatment energies also reveal the presence of two other iron oxide reduction products, magnetite and wustite. The presence of these intermediates suggests the following metallization route under anoxic conditions:
Fe2O3 —— Fe3O4 —— FeO —— FeFe 2 O 3 —— Fe 3 O 4 —— FeO —— Fe
Hematita — magnetita — wurstita — hierroHematite—magnetite—wurstite—iron
Los espectros de XRD para las muestras con un alto grado de metalización también revelaron una reacción secundaria, que ocurre entre el cuarzo y la magnetita a altas temperaturas, la producción de fayalita (olivino) y oxígeno adicional:XRD spectra for the samples with a high degree of metallization also revealed a secondary reaction, occurring between quartz and magnetite at high temperatures, the production of fayalite (olivine) and additional oxygen:
2 Fe2O3 3SiO2 —— 3Fe2SiO4 O2 2 Fe2O3 3SiO2 —— 3Fe2SiO4 O 2
A partir de las pruebas realizadas en este estudio de factibilidad, no fue posible determinar si la producción de productos intermedios y secundarios fue impulsada por la entrada de energía/tiempo de tratamiento o por los niveles de oxígeno presentes durante el tratamiento con microondas.From the tests performed in this feasibility study, it was not possible to determine if the production of intermediate and secondary products was driven by the energy input/treatment time or by the oxygen levels present during the microwave treatment.
Debido al contenido amorfo de las muestras derivado del alto contenido de biomasa, no fue posible brindar resultados cuantitativos con respecto a la cantidad de hierro y óxidos de hierro presentes en cada una de las muestras. Dado que la reacción de reducción transcurre desde la hematita hasta el hierro, fue posible estimar el grado de metalización. Para cada muestra, se determinaron las áreas bajo el pico principal de hierro (44,2<29<45,0) y el pico principal de hematita (32,3<29<33,7). La Figura 11 traza la proporción de estos picos en función de la entrada de energía de microondas.Due to the amorphous content of the samples derived from the high biomass content, it was not possible to provide quantitative results regarding the amount of iron and iron oxides present in each of the samples. Since the reduction reaction proceeds from hematite to iron, it was possible to estimate the degree of metallization. For each sample, the areas under the main iron peak (44.2<29<45.0) and the main hematite peak (32.3<29<33.7) were determined. Figure 11 plots the ratio of these peaks as a function of microwave energy input.
Con energías de tratamiento por debajo de 12 GJ/t de producto (equivalente a aproximadamente 2400 kWh/t de briquetas mezcladas), un aumento en la densidad de potencia aumentó el grado de metalización. La Figura 11 muestra una mayor pérdida de masa con entradas de energía equivalentes a 2 kW en comparación con una potencia aplicada de 1 kW. Esto se puede atribuir a velocidades de calentamiento más rápidas, que son más significativas en tiempos de tratamiento más cortos. Este efecto fue validado por los espectros de XRD en la Figura 10, que muestra la presencia de goetita en la muestra de 1 kW 4 minutos, pero no en la muestra de 2 kW 4 minutos, lo que sugiere que la temperatura de dihidroxilación de la goetita (entre 300-400 °C) no había sido excedida a la potencia más baja, aunque las energías de tratamiento sean las mismas.At treatment energies below 12 GJ/t of product (equivalent to approximately 2400 kWh/t of mixed briquettes), an increase in power density increased the degree of metallization. Figure 11 shows a greater mass loss with power inputs equal to 2 kW compared to an applied power of 1 kW. This can be attributed to faster heating rates, which are more significant at shorter treatment times. This effect was validated by the XRD spectra in Figure 10, which shows the presence of goethite in the 1 kW 4 minute sample, but not in the 2 kW 4 minute sample, suggesting that the dihydroxylation temperature of the goethite (between 300-400 °C) had not been exceeded at the lowest power, although the treatment energies are the same.
2.4 Resultados adicionales del tratamiento con azúcar2.4 Additional results of sugar treatment
Se realizó un tratamiento adicional, reemplazando la biomasa con azúcar blanco granulado de mesa, es decir, sacarosa, C12H22O11.An additional treatment was carried out, replacing the biomass with granulated white table sugar, ie sucrose, C 12 H 22 O 11 .
Se mezclaron 12 gramos de sacarosa con 18 gramos de PBF, junto con 5 ml de agua, formando una pasta espesa. La muestra se trató con el mismo método que las briquetas, a 2 kW durante 8 minutos.12 grams of sucrose were mixed with 18 grams of PBF, along with 5 ml of water, to form a thick paste. The sample was treated with the same method as the briquettes, at 2 kW for 8 minutes.
La Figura 12 muestra los espectros de XRD para la mezcla de PBF-azúcar en comparación con la mezcla de PBF/azolla y los finos de mineral sin procesar. La muestra de azúcar exhibió niveles más bajos de metalización en comparación con la azolla con una entrada de energía de microondas equivalente. La XRD también muestra que se formaron proporciones más altas de los óxidos de hierro intermedios, magnetita y wustita, al usar azúcar. No se cree que esto se deba a la pérdida de azúcar en el ladrillo refractario, ya que se usó masilla de alta temperatura para reducir la permeabilidad de la carcasa de tratamiento. Figure 12 shows the XRD spectra for the PBF-sugar mix compared to the PBF/azolla mix and raw ore fines. The sugar sample exhibited lower levels of metallization compared to azolla at equivalent microwave energy input. XRD also shows that higher proportions of the intermediate iron oxides, magnetite and wustite, were formed by using sugar. This is not believed to be due to loss of sugar in the firebrick as high temperature putty was used to reduce the permeability of the treatment shell.
Una observación clave aquí es que variar el tipo de biomasa usada en el proceso de reducción directa brinda la oportunidad de controlar la proporción de óxidos intermedios formados.A key observation here is that varying the type of biomass used in the direct reduction process provides the opportunity to control the proportion of intermediate oxides formed.
También se realizaron dos tratamientos adicionales usando azúcar, al 50 % y 70 % de contenido de azúcar en masa.Two additional treatments using sugar, at 50% and 70% bulk sugar content, were also performed.
La Figura 13 muestra los espectros de XRD para los tres tratamientos con azúcar en comparación con finos de mineral sin procesar. Las muestras con mayor contenido de azúcar exhibieron un mayor grado de metalización con niveles más bajos de óxidos de hierro intermedios remanentes. Esto sugiere que una mayor proporción de gases reductores presentes conduce a una mejor metalización.Figure 13 shows the XRD spectra for the three sugar treatments compared to raw ore fines. Samples with higher sugar content exhibited a higher degree of metallization with lower levels of remaining intermediate iron oxides. This suggests that a higher proportion of reducing gases present leads to better metallization.
2.5 Balance Energético2.5 Energy Balance
Las estimaciones de la entrada de energía de microondas sensible mostraron que la metalización del mineral de hierro mezclado con biomasa podría lograrse con entradas de energía de microondas significativamente más bajas que los totales citados y potencialmente del mismo orden que la energía DRI sensible usada en los procesos DRI comerciales de mejor rendimiento (~2 GJ/tonelada para sistema basado en gas), incluso a escala de laboratorio en un sistema no optimizado.Estimates of sensible microwave energy input showed that metallization of iron ore mixed with biomass could be achieved with microwave energy inputs significantly lower than the totals cited and potentially on the same order as the sensible DRI energy used in the processes. Best performing commercial DRI (~2 GJ/tonne for gas-based system), even at lab scale in a non-optimized system.
Más concretamente, un balance de energía con una estimación básica de las pérdidas de calor durante el procesamiento por microondas indicó que la reducción directa del mineral de hierro mediante el uso del calentamiento por microondas a escala de lotes pequeños se logró con aportes de energía de 1,6 GJ/t de producto. Sin la estimación de las pérdidas de calor, esto equivale a alrededor de 32 GJ/t de alimentación de briquetas mezcladas, o 74 GJ/t de producto.More specifically, an energy balance with a basic estimate of heat losses during microwave processing indicated that direct reduction of iron ore using small batch-scale microwave heating was achieved with energy inputs of 1 .6 GJ/t of product. Without estimation of heat losses, this equates to about 32 GJ/t of mixed briquette feed, or 74 GJ/t of product.
Debería ser posible reducir significativamente este valor en un sistema industrial optimizado donde se minimicen las pérdidas de calor.It should be possible to significantly reduce this value in an optimized industrial system where heat losses are minimized.
La experiencia de escalamiento indica que se requieren entradas de energía significativamente más altas, a menudo de varios órdenes de magnitud mayores, en sistemas de escala de laboratorio de lotes pequeños no optimizados en comparación con la operación continua de un proceso industrial optimizado bien diseñado.Scale-up experience indicates that significantly higher energy inputs, often several orders of magnitude higher, are required in unoptimized small-batch laboratory-scale systems compared to continuous operation of a well-designed optimized industrial process.
2. 6 Paquete de trabajo 2 Breve descripción de la invención2. 6 Work package 2 Brief description of the invention
• Los tratamientos de microondas a escala de laboratorio a 2450 MHz mediante el uso de un sistema no optimizado y el subsiguiente análisis de XRD semicuantitativo demostraron que se podían lograr altos niveles de metalización mediante el uso de energía de microondas. El análisis de la caracterización por XRD de briquetas con un contenido de biomasa del 35 % y el 40 % (en masa) procesadas con un horno convencional sugiere que la optimización del tipo y la cantidad de biomasa podría mejorar el proceso de reducción mediante el control de la atmósfera reductora y las reacciones asociadas del hierro dentro de esa atmósfera.• Laboratory-scale microwave treatments at 2450 MHz using a non-optimized system and subsequent semi-quantitative XRD analysis demonstrated that high levels of metallization could be achieved using microwave energy. Analysis of the XRD characterization of briquettes with a biomass content of 35% and 40% (by mass) processed with a conventional oven suggests that optimization of the type and amount of biomass could improve the reduction process by controlling of the reducing atmosphere and the associated reactions of iron within that atmosphere.
• Esta tendencia también se observó en los espectros de XRD para PBF mezclado con un contenido de azúcar del 35 %, 50 % y 70 %, con cargas de azúcar más altas que dieron como resultado una metalización más completa y proporciones reducidas de óxidos de hierro intermedios con entradas globales de energía de microondas equivalentes.• This trend was also observed in the XRD spectra for PBF mixed at 35%, 50% and 70% sugar content, with higher sugar loadings resulting in more complete metallization and reduced proportions of iron oxides intermediates with global equivalent microwave energy inputs.
3. Conclusiones de los paquetes de trabajo 1 y 2 3. Conclusions of work packages 1 and 2
El estudio de factibilidad mostró que es posible lograr la metalización del mineral de hierro mezclado con biomasa, mediante el uso de energía de microondas como fuente de calor. Las propiedades dieléctricas medidas muestran que la biomasa de azolla PBF (finos de mineral de hierro) y las briquetas combinadas interactuaron fuertemente con la energía de microondas en las frecuencias usadas industrialmente de 2450 MHz y 915 MHz. La profundidad de penetración de microondas derivada de 5 cm a 915 MHz por encima de 500 °C verificó que, desde la perspectiva del calentamiento por microondas, sería posible lograr un calentamiento volumétrico de una carga continua de 5-10 cm de espesor (aunque se produjo algo de calentamiento más allá de la profundidad de penetración definida). No hubo un efecto claro de la densidad de potencia (entre 1 kW y 2 kW) sobre el grado de metalización, a temperaturas superiores a 500 °C y 30 GJ/t de entrada de energía de microondas del producto. Sin embargo, la capacidad de proporcionar calentamiento global al material brinda la oportunidad de superar las limitaciones de transferencia de calor. Esto podría conducir a velocidades de calentamiento más rápidas y tiempos de residencia más cortos, con el consiguiente menor tamaño de la planta, el uso directo de finos de sinterización, CAPEX reducido y un mayor control del proceso como posibles ventajas. La producción variable de óxidos de hierro intermedios (magnetita y wustita) y productos de reacción secundaria (fayalita) para diferentes cargas de biomasa indicó que existe la oportunidad de optimizar el proceso de reducción y metalización alterando el contenido de biomasa y controlando la atmósfera reductora, lo que lleva a la metalización con entradas de energía de microondas más bajas. Finalmente, el balance energético estimó pérdidas de calor en las pruebas de viabilidad en el sistema no optimizado de casi el 90 %. Por lo tanto, la metalización a entradas de energía MW de ~2 GJ/t de producto, se podría lograr en un proceso industrial optimizado con pérdidas de calor minimizadas.The feasibility study showed that metallization of iron ore mixed with biomass can be achieved by using microwave energy as a heat source. The measured dielectric properties show that the biomass of azolla PBF (iron ore fines) and the combined briquettes strongly interacted with microwave energy at the industrially used frequencies of 2450 MHz and 915 MHz. The microwave penetration depth derived from 5 cm at 915 MHz above 500 °C verified that, from a microwave heating perspective, it would be possible to achieve volumetric heating of a 5-10 cm thick continuous charge (although some heating did occur beyond depth). of defined penetration). There was no clear effect of power density (between 1 kW and 2 kW) on the degree of metallization, at temperatures above 500 °C and 30 GJ/t microwave energy input of the product. However, the ability to provide global heating to the material provides an opportunity to overcome heat transfer limitations. This could lead to faster heating rates and shorter residence times, with consequent smaller plant size, direct use of sinter fines, reduced CAPEX, and greater process control as potential benefits. The variable production of intermediate iron oxides (magnetite and wustite) and secondary reaction products (fayalite) for different biomass loadings indicated that there is an opportunity to optimize the reduction and metallization process by altering the biomass content and controlling the reducing atmosphere. leading to metallization with lower microwave energy inputs. Finally, the energy balance estimated heat losses in the feasibility tests in the non-optimized system of almost 90%. For the Therefore, metallization at MW energy inputs of ~2 GJ/t of product, could be achieved in an optimized industrial process with minimized heat losses.
Figura 14 - Diagrama de bloques de una modalidadFigure 14 - Block diagram of a modality
Con referencia al diagrama de bloques de la Figura 14, en una modalidad de la invención, las briquetas de una mezcla de una proporción seleccionada de finos de mineral de hierro y biomasa se suministran como material de alimentación a un horno de precalentamiento 3 y se precalientan a un temperatura en el intervalo de 400-600 °C por un tiempo predeterminado.With reference to the block diagram of Figure 14, in one embodiment of the invention, briquettes of a mixture of a selected proportion of iron ore fines and biomass are supplied as feedstock to a preheating furnace 3 and are preheated at a temperature in the range of 400-600 °C for a predetermined time.
El horno de precalentamiento 3 está diseñado para funcionar por lotes.The preheat oven 3 is designed for batch operation.
Luego, las briquetas precalentadas se transfieren a un conjunto de reducción 5 y los finos de mineral de hierro se calientan y reducen en el conjunto 5.The preheated briquettes are then transferred to a reduction set 5 and the iron ore fines are heated and reduced in set 5.
El conjunto 5 también está diseñado para funcionar por lotes.Set 5 is also designed to work in batches.
El conjunto 5 incluye una cámara para las briquetas, una fuente de energía de microondas, una guía de ondas para transferir energía electromagnética en forma de energía de microondas a 2450 MHz u otra frecuencia adecuada a la cámara, una fuente de gas inerte, como nitrógeno, tubería adecuada para suministrar el gas inerte a la cámara para mantener la cámara en condiciones anóxicas durante el tratamiento de las briquetas en la cámara, y una salida para descargar el gas y cualquier partícula retenida que se genere durante el tratamiento en la cámara.Assembly 5 includes a chamber for the briquettes, a source of microwave energy, a waveguide to transfer electromagnetic energy in the form of microwave energy at 2450 MHz or another suitable frequency to the chamber, a source of inert gas, such as nitrogen , adequate piping to supply the inert gas to the chamber to maintain the chamber in anoxic conditions during the treatment of the briquettes in the chamber, and an outlet to discharge the gas and any retained particles that are generated during the treatment in the chamber.
En uso, mientras la cámara se mantiene en condiciones anóxicas, la energía de microondas calienta los finos de mineral de hierro y la biomasa y genera calor dentro de ambos constituyentes de las briquetas, con el resultado de la reducción de los finos de mineral de hierro en estado sólido a través de la biomasa dentro de la briquetas para formar un producto metalizado en estado sólido.In use, while the chamber is kept anoxic, microwave energy heats the iron ore fines and biomass and generates heat within both briquette constituents, resulting in the reduction of iron ore fines. solid state through the biomass within the briquettes to form a solid state metallized product.
El proceso incluye un sistema de control para controlar las condiciones de operación de manera que el mineral de hierro se caliente a una temperatura seleccionada durante un tiempo de residencia seleccionado a la temperatura. En el caso de la hematita, el proceso incluye el control de las condiciones de operación para que la hematita se caliente a una temperatura en un intervalo de 800-1100 °C para metalizar la hematita.The process includes a control system to control the operating conditions so that the iron ore is heated to a selected temperature for a selected residence time at the temperature. In the case of hematite, the process includes control of the operating conditions so that the hematite is heated to a temperature in the range of 800-1100 °C to metallize the hematite.
El producto metalizado en estado sólido puede almacenarse y transportarse a otras plantas para ser procesado según sea necesario para producir acero de uso final u otros productos.The solid-state plated product can be stored and transported to other plants to be processed as needed to produce end-use steel or other products.
Aunque la modalidad descrita con relación a la Figura 14 se describe como un proceso por lotes, se puede apreciar fácilmente que la invención no está tan limitada y podría funcionar como un proceso continuo tanto en las etapas de precalentamiento como de reducción.Although the embodiment described in relation to Figure 14 is described as a batch process, it can be readily appreciated that the invention is not so limited and could function as a continuous process in both the preheat and reduction steps.
Además, mientras que la modalidad descrita con relación a la Figura 14 se describe funcionando con energía de microondas, se puede apreciar fácilmente que la invención no está tan limitada y podría funcionar con cualquier energía electromagnética adecuada. Furthermore, while the embodiment described in relation to Figure 14 is described as operating on microwave energy, it can be readily appreciated that the invention is not so limited and could operate on any suitable electromagnetic energy.
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